Способ проведения химической реакции в псевдоожиженном слое ферромагнитных частиц и аппарат для его осуществления

(5 ц 4 В О 1 3 19/12 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ств 5/О ЧЕСКОИЛОЕ ФЕРРДЛЯ ЕГО ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ 21) 3520320/23-2622) 10,12,82(56) Авторское свидетельство СССРВ 1000098, кл. В 01 Т 19/12,12.05.83,.Авторское свидетель о СССРУ 768427, кл, В 01 Р 3 6, 05,03.79(54) СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИРЕАКЦИИ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ С ОМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ И АППАРАТОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) 1. Способ проведения химической реакции в псевдоожиженном слоеферромагнитных частиц, движущихся впротивотоке с подаваемым газовым потоком, при периодическом наложениипродольного магнитного поля и изменяемой скорости Фильтрации потока,о т л н ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения эффективности процесса за счет управления порозностью игидравлическим сопротивлением слоя.,в интервалах между наложениями продольного магНитного поля прекращаютподачу газового потока до образованияплотного слоя Ферромагнитных частиц,а после его включения во время нало 801232277 А 1 жения магнитного поля и после возрастания скорости фильтрации вновь ее уменьшают, причем по крайней мере на часть слоя налагают магнитное поле, направленное противоположно продольному магнитному полю.2, Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что магнитное попе, направленное противоположно продольному магнитному полю, налагают в зоне подачи газа.3, Аппарат для проведения химической реакции в псевдоожиженном слое ферромагнитных частиц, содержащий вертикальный корпус, соленоид дляс создания продольного однородного маг- у нитного поля, охватывающий корпус, газораспределительную провальную решетку, патрубки для подвода и отвода (файф газа и Ферромагнитных частиц и источники импульсного тока, о т л и ч а ю - с щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности процесса, он снабжен дополнительными решетками со слоями ферромагнитных шаров, располо- фф женными под газораспределительными Ю решетками, и дополнительными соленои- М дами, подключенными к источнику им- Д пульсного тока и размещенными снаружи эх корпуса в зоне размещения слоев ферромагнитных шаров.1232277 газа 0 затворе, связанный с сильфонным дат 5 чиком, включающим-выключающим через 20 25 30 35 40 Изобретение относится к техникепсевдоожижения слоев частиц, способных намагничиваться во внешнем магнитном поле, и может быть использовано в нефтяной, химической и металлургической отраслях промышленности, атакже в сушильном деле,Цель изобретения - повышение эффективности процесса за счет управления порозностью и гидравлическим сопротивлением слоя,На фиг. 1 приведен аппарат дляосуществления способа проведения химической реакции в слое ферромагнитных частиц, верхняя часть; нафиг2 - то же, нижняя часть; нафиг. 3 - разрез А-А на Фиг. 2; наФиг. 4 - детальное изображение соленоида, создающего однородное магнитное поле; на фиг, 5-7 - графики зависимости.перепада давления в псевдоожиженном слое от скорости фильтрации.На графике фиг, 5 - материал магнетит, размер частиц - 0,2 мм, напряженность постоянного магнитногополя Н=36 кА/м; на фиг, 6 и 7 - зависимости ДР Г(Ч) (кривые 1-8 и 1-5),ьЬ=Г(У) (кривая 9) для слоя частицвосстановленного железа размером6=0,2 мм, полученные при наложениина него постоянного однородного магнитного поля напряженнностью Н=22 кА/м.Аппарат для осуществления способа(Фиг. 1-4) содержит вертикальный корпус 1, секционированный газораспределительными провальными решетками 2 иразмещенными под ними решетками 3,поддерживающими слои ферромагнитныхстальных шаров 4, Над решетками 2размещены слои 5 ферромагнитных частиц. Корпус 1 и. слои 5 охвачены соленоидом 6 однородного магнитного поля,1соленоидом 7, создающим в зойе, прилегающей к решетке, магнитное поле,направленное противоположно однородному магнитному полю, соленоидом 8с наружным магнитопроводом, создающимимпульсное магнитное поле. Газораспределительные решетки соединены скольцевым коллектором 9, охватывающим корпус, в который через патрубок10.поступает газ. Слой шаров охваченэлектронагревателями 11. Верхняячасть аппарата снабжена доватором,содержащим соленоид 12, корпус 13,,воронку 14, обогреваемую электронагревателем 15, решетку со слоем шаров, а также патрубком для отвода Нижняя часть аппарата (фиг, 2)содержит патрубок 16, образующийвместе с находящимся в нем материалом гидравлический затвор, под которым размещен еще один слой шаров 17 на решетке 18. Патрубок 16 проходит через дополнительный корпус 19, охваченный соленоидом 20. Внутрь патруб" ка введен пневматический датчик 21 уровня материала в гидравлическом тиристоры соленоид. Патрубок на выходе из дополнительного корпуса охвачен обмоткой 22, подключенной к источнику переменного тока.На фиг. 4 изображена обмотка соленоида в виде медной трубки 23, закрепленной внутри кожуха 24 через электроиэоляционные (текстолитовый с паронитовыми прокладками) хомуты на металлической винтовой поверхности, приваренной к корпусу. Через патрубки 25 и 26 охлаждающая жидкость соответственно поступает в кожух и удаляется из него при проведении в аппа-рате экзотермической химической реакции,Аппарат (Фиг, 1-4) работает следующим образом,Дисперсный материал поступает че-. рез воронку 14, обогреваемую электро-.нагревателем 5, в корпус 13, охваченный соленоидом 12, и через слойшаров 4, приводимых импульсным магнитным полем в движение, - в корпус 1, После образования слоя 5 заданнойвысоты в первой секции аппарата нанего налагают постоянное или переменное однородное поле, генерируемоесоленоидом 6, и через газораспределительную решетку 2 подают газ: слой ферромагнитных частиц равномерно расширяется вдоль магнитных силовых линий продольного однородного магнитного поля, образуя однородную структуруВ этом слое можно проводить реакции восстановления и окисления Ферромагнитных металлических порошков,осуществлять процессы адсорбции определенных химических компонентов,содержащихся в смеси газов, напримерН (в слое интерметаллидов ЬаЖэ),проводить реакции органического синтеза, например синтеза углеводоропавиз смеси газов СО+Н, превращениеметанола в бензин в бинарном слое,содержащем немагнитный цеолитовый катализатор и химически нейтральнуюкомпоненту, способную намагничиваться во внешнем магнитном поле, например магнетит. Кроме того, в предлагаемом аппарате можно улавливатьчастицы пыли в процессе очистки газов с одновременной химической реакцией их с материалом слоя, напримерочистку газа от соединений серы вслое частиц магнетита (Г 0,1), синтезуглеводородов из СО+Н О, если газпредставляет собой продукт выбросаиз сталелитейных печей,10 15 1В зависимости от магнитнойпрони-цаемости ферромагнитного материаласлоя и эффективной магнитной проницаемости слоя, который в общем случае может представлять собой смесьферромагнитных и немагнитных частиц,возможны следующие состояния расширенного слоя с магнитостабилизированной структурой,Для материалов с магнитной проницаемостью, сравнимой с проницаемостьювосстановленного железа, при наложении наплотный слой частиц постоян.ного магнитного поля с последующейподачей в него газа образуется жесткая структура расширенного слоя, которая сохраняется и при последующемуменьшении скорости фильтрации и дажеизменении ее нап;авления на противОположное (т.е. при подаче газа сверхувниз), В этом случае с уменьшениемскорости фильтрации убывает и гидравлическое сопротивление слоя. Порозность его может совершенно не изменяться в достаточно сильном магнитном поле напряженностью свыше20 кЛ/м, или постепенно изменятьсяпри достаточном уменьшении напряженности магнитного поля. По интенсивности изменения гидравлического сопротивления расширенного слоя с ма - нитостабилизированной структурой при уменьшении скорости фильтрации можно судить о жесткости этой структуры, Лля псевдоожиженного слоя частиц магнетита с магнитной стабилизацией его структуры подобный гистерезис гидравлического сопротивления псевдоожиженного слоя по мере возрастания и по следующего убывания скорости фильтрации менее выражен по сравнению с гистереэисом в слое частиц восстановленного железа (Фиг.и 6), Здесь следует подчеркнуть, что отношение магнитнойпроницаемости слоя частиц восстановленного железа к проницаемости слоя частиц магнетита при условии их одинаковых геометрических параметров составляет 1,б 2.Для слоев с жесткой магнитостабилизированной структурой, начиная с определенного соотношения между скоаростью фильтрации и напряженностью магнитного поля, определяемого экспериментально, характерно возрастание гидравлического сопротивления по мере роста напряженности магнитного поля и скорости фильтрации, если на слой сначала налагать магнитное поле, а затем в него подавать газ. Но для каждого значения напряженности магнитного поля, начиная с определенной скорости фильтрации, независимо от дальнейшего ее роста, гидравлическое сопротивление становится постоянньж вплоть до разрушения упорядоченноф структуры псевдоожиженного слоя,Однако излишний рост гидравлического сопротивления слоя с магнитной стабилизацией его структуры нежелателен, поскольку увеличивает затраты электроэнергии компрессором, подающим газ. Поэтому важпо найти способ управления этим сопртивлением в сторону его понижени. Кроме того, такая жесткая структура значительно ухудшает провал слоя, взвешенного газом и зажатого в корпусе под действием сил бокового давления магнитных силовых линий н сил осевого сжатия слоя, В условиях герметичности аппарата такой провал с одновременным отводом тепла пз зоны реакции можно было бы осуществить за счет периодического выключения магнитного поля, но при этом слой перемешивался бы во всем его объеме и терялась бы возможность идеального вытеснения его, В таком случае невозможно строго дозированно в единицу времени н равномерно по сечению аппарата отводить материал из зоны реакции. Для обеспечения режима идеального замещения материала слоя, улучшения его текучести и интенсификации отвода из слоя (или подвода в него),тепла по крайней мере в зоне, прилегающей к газораспределительной решетке, создают посредством соленоида 7 магнитное поле, направленное противо277 Ь 5 1232положно внешнему магнитному полю.Тогда локально по ширине аппаратавозникает зона свободного псевдоожижения части слоя ферромагнитных частиц, но из-за небольшой протяженности этой зоны по высоте аппарата порядка 50-60 мм пузыри газа не успевают вырасти. В этой зоне .происходитполный распад ферромагнитных флокули резкое уменьшение магнитной прово Одимости магнитного потока, по сравнению с проводимостью его в зоне с упорядоченной структурой, т.е. как бывозникает магнитный зазор, которыйстановится еще более выраженным из-за 15наличия в ней немагнитной гаэораспределительной решетки, а также застойных зон, расположенных под ней, свободных от ферромагнитных частиц.Все это создает возможность размещения под гаэораспределительной решеткой 2 слояферромагнитныхшаров 4,поддерживаемых дополнительной решеткой 3. При воздействии на шары импульсного магнитного поля соленоида 258 Ферромагнитный материал слоя 5отводится по всему сечению аппаратастрого дозировано, При отсутствииуказанного магнитного зазора магнитный поток замыкается на ферромагнитные шары, возвратно-поступательногоперемещения шаров под действием им-пульсного магнитного поля не наблюдается и прекращается провал черезних ферромагнитного материала,Отвод тепла из слоя, например, впроцессе синтеза углеводородов изН +СО осуществляется за счет конст 2руктивного исполнения соленоида 6,обмотка которого, выполненная из медной трубки 23, размещена на электроизоляторах в герметичном кожухе 24,охватывающем корпус 1, охлаждаемомдистиллированной водой (либо маслом),циРкулирующей между кожухом и холодильником с помощью насоса. В процессе синтеза углеводородов иэ СО+Н необходимо предварительно нагреть слой катализатора до 250 о300 С, а также нужно охлаждать его 50 с тем, чтобы температура его в процессе экзотермической реакции не превышала 300-350 С. Поэтому питательосодержит воронку 14, обогреваемую электронагревателем 15 для предварительного подогрева катализатора. Вследствие интенсивного протекания реакции синтеза СО+Н на катализаторе возможно отложение углерода, а также слипание его частиц на углеродной связке. При прохождении катализатора через слой Ферромагнитных шаров катализатор подвергается очистке от отложений углерода с одновременным разрушением комков за счет соударения их с шарами.Если в аппарате процесс восстановления железного катализатора из магнетита осуществлять при 450-500 С, то слой Ферромагнитных шаров 4 должен быть охвачен электронагревателем 11, гак как реакция восстановления идет с поглощением тепла, При спекании частиц слоя в комки, прочность которых при температуре 450-500 С еще невелика, эти комки разрушаются, проходя через слой движущихся ферромагнитных шаров 4.Для непрерывного или периодического отвода из аппарата ферромагнитных частиц 5 без прекращения процесса реакции необходимо создать надежный гидравлический затвор с тем, чтобы не нарушалась герметичность аппарата, поэтому под достаточно длинным отводящим патрубком 16 в дополнительном корпусе 19, охваченном соленоидом 20 на решетке 18 размещен слой шаров 17. Если бы отсутствовал дополнительный корпус 19 и вся полость соленоида 20 была бы заполнена Ферромагнитным материалом, то при наложении импульсного магнитного поля частотой 1- 10 Гц, с длительностью импульсов 0,01-0,06 с, увеличивающейся при уменьшении частоты импульсов, магнитный поток замыкался бы на слой и ферромагнитные шары (т.е, в электромагнитной системе фактически выбирается магнитный зазор), н движение шаров, а вместе с ним и провал материала становились бы невозможными. Но если отводящий патрубок 16 поместить в дополнительный корпус 19 и уменьшать диаметр этого патрубка, то, начиная с отношения диаметра дополнительного корпуса 19 к диаметру отводящего патрубка 1,3-1,5, шары .начинают двигаться под действием указанного магнитного поля, и при этом осуществляется отвод материала из аппарата, покане падает гидравлическое сопротивление пневмодатчика 21 до заданного уровня и не отключаетсясоленоид 20 .Благодаря слоямшаров 4,размещенным между секциями, и продольному32277 О 5 го 7 2 импульсному магнитному полю, налагаемому на них, ферромагнитный материал отводится из секции в секцию равномерно по всему горизонтальному сечению аппарата. Однако, попадая в зону действия однородного магнитного поля, частицы этого материала, Флокулируя, образуют очень пористую структуру с каналами между флокулами, что приводит к ухудшению межфазного контактирования газа с материалом слоя.Для предотвращения этого отрицательного эффекта после подачи из секции в секцию дополнительной порции материала кратковременно уменьшают подачу газа, выключают однородное магнитное поле, вновь включают его и затем опять подают газ.П р и м е р ы. Приведенные на Фиг. 5 зависимости перепада давления в псевдоожиженном слое от скорости фильтрации показывают, что при Н= =36 кА/м и увеличении скорости фильтрации до 0,6 м/с гидравлическое сопротивление слоя частиц магнетита диаметром 0,2 мм, начиная со скорости фильтрации 1=0,18 м/с, не изменяется и находится на уровне 215 мм вод.ст, - кривая 1. Это говорит о том, что расширение слоя и его структура изменяются при возрастании скорости Фильтрации таким образом, что дР=сопз. Но при последующем убывании скорости фильтрации перепад давления уменьшается сразу же после начала убывания скорости фильтрации. Причем, если перед убыванием скорости фильтрации до 0 при заданном Н исходная скорость различная, например 0,22 м/с и.0,42 м/с, то после последующего убывания скорости перепад давления в слое изменяется по разным кривым: 3 и 7.Аналогично по-, лучены и все остальные кривые, кроме 1, которая соответствует возрастанию скорости Фильтрации: 2 - скорость фильтрации У сначала возрастает до 0,2 м/с, а затем убывает до 0(У 0,2 м/с; У 0; 3-У 0,22 м/с; И 0;4-М 0,29 м/с; У 0; 5.-Ч 0,32; Ч 0;6-М 0,38 м/с; 1 0; 7-У 0,42; Ч 0),Гистерезис дР при возрастании и последующем убывании скорости фильтрации при наложении на слой постоянного магнитного поля показывает, что расширенный слой как бы имеет свою магнитную историю: его порозность возрастает по мере роста скорости фильтрации и остается неизменной при последующем убывании этой скорости, Соответственно кривым 1-7 измеряется приращение высоты слоя по сравнению с плотным слоем по мере его расширения с ростом скорости фильтрации - кривая 8. В отсутствие слоя неоднородность магнитного поля по высоте слоя составляет 1 Е при Н=36 кА/м.На фиг. 6 приведена аналогичная фиг. 5 зависимость дР=1(Ч) (кривые1-8) и дЬ=Г(У) (кривая 9) для слоя.частиц восстановленного железа размером 0,2 мм, полученные при наложении на него постоянного однородногомагнитного поля напряженностью Н==22 кА/м,где 1 - кривая изменения Рпри наложении магнитного поля наплотный слой и последующем возрастании скорости Фильтрации до исходной по кривой 1, но разной в каждом отдельном случае, и последующем убывании скорости фильтрации, Кривые 7 и8,получены при внезапном наложениимагнитного поля на уже псевдоожиженг 5 ный слой, причем это предеЛьные значения гидравлического сопротивленияслоя, которые в зависимости от момента наложения поля на слой, находящийся в режиме автоколебания, изменяются в диапазоне между кривыми 7и 8.Кривая 7 соответствует предельному оседанию слоя, а кривая 8 -предельному его расширению при Е=Оперед внезапным наложением на слоймагнитного поля, При этом кривая 8 35совпадает с кривой ЦР=Г(Ч) при постепенном наложении магнитного поля науже псевдоожиженный слой. Кривая 9показывает степень расширения слоя 40соответственно кривым 1-6.Повьппению эффективности проведения химической реакции синтеза углеводородов способствует осуществлениеее в несколько ступеней, с постепенным повышением плотности катализатора от ступени к ступени. Реакция синтеза углеводородов из СО+Н идет настолько интенсивно, что локально на рушается тепловой баланс между теплом, выделенным в ходе экзотермической реакции, и теплом, отведенным изаппарата, что приводит к перегревуи науглероживанию катализатора. Предлагаемый способ проведения химической реакции позволяет регулироватьпорозность слоя по мере прохода газавдоль реактора, что обеспечивает равномерное распределение интенсивностипроведения химической реакции по всем1 О 20 ЭО 35 40 45 Наложение магнитного поля с после. дующим ростом скорости Фильтрации и последующее уменьшение ее скорости обеспечивает управление порозностью слоя в зависимости от исходного значения скорости фильтрации, но остающейся постоянной при последующем уменьшении скорости фильтрации.,В отсутствие магнитного поля порозность слоя однозначно изменяется при изменении скорости Фильтрации.Наложение на часть слоя магнитного поля, направленного противоположно направлению однородного магнитного поля, обеспечивает в этой части 50 55 ступеням реактора и снижение теплояой нагрузки на катализатор. Согласно фиг. 6 статическая высота слоя 100 мм. При Н=22 кА/м и подаче газа при М=0,5 м/с слоя расширяется и его высота увеличивается в 1,9 раза. Если в данном случае понизить скорость фильтрации, например, перекрыв вентиль, до скорости фильтрации 0,2 м/с (И=0,5-0,2 м/с) расширение слоя и плотность катализатора 814 кг/м сохраняются, но перепад давления уменьшается с 470 мм вод.ст, до 240 мм . вод.ст. (кривая 6), При этой же ско" рости фильтрации, но при Н=О, плотность катализатора составляет 1140 кг/мз. При Н=22 кА/м и скорости фильтрации И=О,5 м/с (0=0,50,15 м/с) плотностькатализатора 794 кг/м Приэтой же скорости, но Н=О, плот" ность катализатора 1430 кг/м . Такоез управление плотностью катализатора (пороэностью слоя) достигается при одной и той же скорости Фильтрации, без изменения размеров Ферромагнитных частиц слоя, Причем, чем вьше напряженность магнитного поля, тем выше диапазон регулировки плотности катализатора, тем выше интервал скоростей Фильтрации, в котором достигается наибольшая эффективность такой регулировки.На Фиг. 7 дана зависимость ЬР= Г(1) при наложении постоянного однородного магнитного поля на плотный слой с последующим возрастанием скорости фильтрации для слоя частиц восстановленного-.; железа с диаметром частиц 0,1 б,2 мм, где кривая 1 - К=36 кА/м; кривая 2 - Н=ЗО кА/м; кривая 3 - Г=22 кА/м; кривая 4 Н=15 кА/м; кривая 5 - Н=7,5 кА/м;кривая 6 - Н=О. перемешивание слоя при сохранении режима идеального замещения материала слоя, движущегося в противотокес газом.Наложение в зоне, прилегающей к газораспределительной решетке, магнитного поля, направленного противоположно направлению однородного магнитного поля, обеспечивает идеальноезамещение слоя, интенсивный отвод тепла в этой зоне.Изменением вдоль потока газа пороэности слоя и плотности катализатора при заданной скорости фильтрацииобеспечивают регулировку скоростипротекания каталитических реакций,что соответственно снижает тепловуюнагрузку на катализатор.Размещением под газораспределительной провальной решеткой слоя стальных шаров, поддерживаемых допол-, нительной решеткой, с охватом корпуса дополнительным соленоидом, под-, ключенным к источнику импульсного тока, обеспечены равномерный регулируемый отвод материала слоя по всемусечению, аппарата в нижележащую секцию, регулировка времени пребываниячастиц в зоне реакции, разрушениекомков из сцепленных между собой частиц и различного рода твердых.отложений на них, возникающих в ходе химических реакций,Выполнение газораспределительной решетки в виде усеченных обратных конусов обеспечивает м; гнитный зазор между. псевдоожиженным слоем и слоем шаров, что способствует равномерному отводу материала слоя из зоны реакции.Размещение.патрубка, отводящего . из аппарата материал слоя, по центру дополнительного корпуса, охваченного соленоидом, над слоем ферромагнитных шаров, обеспечивает гидравлический затвор, т.е. герметичность аппарата,при непрерывном или периодическомрегулируемом отводе из него материала слоя.Выполнение диаметра дополнительного корпуса 1,3-1,5 диаметра отводящего патрубка предотвращает полное замыкание магнитного потока на ферромагнитный материал .слоя и его заклинивание в этом корпусе.Таким образом, применение предлагаемого изобретения позволяет осуществить управление гидравлическим сопротивлением, пористостью слоя и,как следствие этого, межфазовым тепло- и массообменом,скоростью химической реакции, температуропроводностьюв этом слое, а также обеспечить заданное время пребывания ферромагнит 1 У Я ных частиц в реакторе, в результатечего возможно повышение эффективности процесса проведения химическойреакции в слое ферромагнитных частиц., м/с,мм дойссгао ЬР ии йгО,фм/ 0,5 Ф,м/с ставитель С, Дехред Н.Вонкало рректор,А,фере едактор Е. Папп аз 2723/7 Тираж 527 ВНИИПИ Государственного комите по делам изобретений и откр